Der Trend zu immer schnelleren Geschwindigkeiten und zur Miniaturisierung hat auch die Antriebstechnik erfasst. Neue Anwendungen wie kleinste Turboverdichter für die Brennstoffzellenbelüftung, Kompressoren für dezentrale, kompakte und effiziente Wärmepumpen und Klimaanlagen, Bohrspindeln für die Materialbearbeitung oder Medizintechnik, und schnelldrehende, optische Spiegel benötigen immer kleinere, effizientere, elektrische Antriebe mit hohen Drehzahlen. Die Leistung eines Elektromotors ist ungefähr proportional zur Baugrösse, welche das Drehmoment definiert, und der Drehzahl. Entsprechend kann mit einer Drehzahlsteigerung die gleiche Leistung viel kompakter realisiert werden.
Bisher waren typische elektrische Antriebe auf ein paar Zehntausend Umdrehungen begrenzt, spezielle elektrische Antriebselemente sind bis zirka 200 000 min–1 erhältlich. Durch neue Technologien lassen sich diese Limiten allerdings sprengen und Drehzahlen von bis zu einer Million erreichen. Dies erlaubt es, Anwendungen um Faktoren kleiner zu bauen als bisher, noch kleinere Strukturen noch produktiver zu bearbeiten, und bisherige Turbinenantriebe durch elektrische Antriebe zu ersetzen und damit die Effizienz zu steigern. Die Herausforderungen in Auslegung und Aufbau hochdrehender Antriebssysteme sind vielfältig und vor allem interdisziplinär. Eine Abstimmung von Mechanik, Elektromagnetismus, Leistungs- und Signalelektronik, digitaler Regelung und Software ist unabdingbar.
Mechanische Auslegung und Reduktion der Hochfrequenzmotorverluste
Die zwei hauptsächlichen Herausforderungen auf Seite des elektrischen Motors sind die mechanische Rotorkonstruktion, welche den extremen Zentrifugalkräften widersteht und tiefe Vibrationen im Betrieb aufweist, und die Reduktion der mit höheren Drehzahlen zunehmenden Verluste im Motor. Für diese Herausforderungen kommen folgende Lösungen zum Zug:
- Ein Permanentmagnet-Synchronmotor garantiert höchsten Wirkungsgrad. Dank der hochkompakten Bauweise sind die Kosten für die Permanentmagnete vernachlässigbar, ein angenehmer Nebeneffekt der hohen Drehzahlen.
- Durch eine geometrisch und mechanisch einfache Rotorkonstruktion sowie einer Metallbandage lassen sich die mechanischen Belastungen im brüchigen Permanentmagneten limitieren.
- Eine Rotordynamikanalyse und hochgenaues Wuchten garantieren auch bei höchsten Drehzahlen den sicheren Betrieb mit tiefen Vibrationen.
- Eine Luftspaltwicklung sowie dünne Kupferdrähte und Eisenbleche reduzieren die Wirbelstromverluste, die andern- falls quadratisch mit der Drehzahl ansteigen.
- Durch eine Multiparameteroptimierung, welche alle Verluste, inklusive Luftreibungsverluste und Wirbelstromverluste in Stator und Rotor, miteinbezieht, kann man auch bei Drehzahlen zwischen 200 000 und 1 000 000 min–1 Motorwirkungsgrade von über 90 Prozent erreichen.
Abstimmung des Umrichters auf den Motor
Motoren für hohe Drehzahlen und/oder Motoren mit Luftspaltwicklungen weisen tiefe Induktivitätswerte auf. Dies führt bei Standardumrichtern zu Problemen. Entweder muss die Schaltfrequenz sehr hoch gewählt werden, was zu hohen Verlusten und daher zu einem tiefen Wirkungsgrad und einem grossen Kühlkörper führt, oder es muss ein AC-Filter zwischen Maschine und Umrichter geschalten werden, was ebenfalls gross, schwer und teuer ist.
Mit einem Umrichter mit Pulsamplitudenmodulation (PAM) können diese Probleme jedoch gelöst werden. Diese Modulation ist ideal auf die Motoren mit Luftspaltwicklung abgestimmt. Die Vorteile sind:
- tiefe Verluste in Umrichter und Motor
- bestens geeignet für den Betrieb ohne AC-Filter, auch mit niederinduktiven Motoren
- eine sensorlose Drehzahlregelung, ohne Hall-Sensoren oder Encoder im Motor
Speziell der letzte Punkt, die sensorlose Regelung, ist bei hochkompakten Motoren entscheidend, da typischerweise kein Platz für Sensoren besteht. Mit Celeroton‘s Technologie kann seit Neustem ohne Sensor auch bei langsamen Drehzahlen und sogar bei Stillstand die Winkelposition erkannt und somit volles Moment gefahren werden. Auf den Einsatz von Hallsensoren oder Encodern kann demzufolge über den gesamten Drehzahlbereich von Stillstand bis 1 000 000 min–1 komplett verzichtet werden. Damit vereinfacht sich das Design des Motors und die Zuverlässigkeit der Systeme ist deutlich höher.
Anwendungsbeispiele
Bisher war das Erreichen hoher Drehzahlen stark limitiert. Höchste Drehzahlen wurden nur aus Labors von Universitäten gemeldet, so zum Beispiel die schnell rotierende Kugel von Jesse Beams. Mit der Technologie von Celeroton sind diese Drehzahlen jetzt aber industriell ein- und umsetzbar. Celerotons Produktspektrum umfasst Motoren, Umrichter und Anwendungen wie hochkompakte Turbokompressoren. Drehzahlen von Stillstand bis 500 000 min–1 werden in diversen Anwendungen eingesetzt, so in einem Kompressor zur Wasserdampfverdichtung mit einem Druckverhältnis von 2 und einer Nennleistung von 150 W oder in einem Luftkompressor mit 1 kW Nennleistung für Drücke bis 1,7 bar und Volumenströme bis 1000 l/min.
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